L'importance du PWHT dans les procédés de soudage de tubes

Les courants générés par les bobines à haute fréquence produisent la chaleur nécessaire, qui est ensuite dissipée par convection.

Des études ont démontré que les préoccupations liées aux contraintes résiduelles de soudure et à la ténacité à la rupture de la zone affectée thermiquement (HAZ) ne constituent pas une justification technique suffisante pour appliquer les exigences en matière de traitement thermique post-soudage (PWHT) aux matériaux de tuyauterie dont l'épaisseur de paroi est inférieure à 5/8 de pouce.

1. Élimine les contraintes résiduelles

Le soudage génère de vastes zones soumises à des contraintes résiduelles de traction élevées, susceptibles de favoriser l'apparition de fissures induites par l'environnement ou de ruptures fragiles dans les assemblages soudés en acier. Le traitement thermique après soudage (PWHT) permet de relâcher ces contraintes et garantit la poursuite de l'exploitation en toute sécurité de la canalisation.

Le traitement thermique post-soudage (PWHT) classique consiste à soumettre l'assemblage soudé à des températures supérieures à sa température minimale de transformation afin d'optimiser la résistance de l'assemblage, sa résistance à la corrosion et à la fatigue, ou encore de le protéger contre les dommages dus à l'hydrogène. Le choix de la température dépend des effets de recuit souhaités ainsi que des niveaux de résistance requis du matériau face à la corrosion, à la fatigue ou aux dommages dus à l'hydrogène.

Lorsqu'on recourt à un traitement thermique post-soudage (PWHT) localisé pour réduire les contraintes résiduelles dans une zone restreinte, le choix de la géométrie de la zone chauffée revêt une importance cruciale. Des études ont montré que les bandes chauffées de largeur variable réduisent plus efficacement l'amplitude des contraintes que les bandes circonférentielles de largeur constante ; en effet, l'analyse élastique révèle que leur utilisation entraîne des contraintes résiduelles plus importantes après refroidissement que les zones chauffées de largeur variable.

Ces résultats suggèrent que les limites actuelles d'exemption du traitement thermique post-soudage (PWHT) prévues dans les codes relatifs aux canalisations pourraient ne pas être précises et qu'il serait peut-être possible d'assouplir les exigences en matière de PWHT sans nuire à la soudabilité ou à la résistance à la fatigue des matériaux, d'autant plus que les codes existants n'imposent pas d'essais de ténacité à la rupture sur les soudures d'une épaisseur inférieure à 5/8 de pouce.

2. Renforce la soudure

Le traitement thermique après soudage (PWHT) est un élément essentiel des procédés de soudage. Le PWHT permet d'atténuer les contraintes résiduelles dans les matériaux, qui pourraient sinon entraîner des déformations et des fissures ; de plus, il augmente la résistance en éliminant les concentrations de contraintes qui, sans cela, pourraient affaiblir les soudures sous des charges dynamiques, les rendre fragiles et provoquer leur rupture.

Le traitement thermique post-soudage (PWHT) consiste à chauffer le métal à une température donnée pendant une durée prédéterminée, en recourant à diverses techniques telles que le recuit, la normalisation, la trempe et le revenu, afin d'augmenter la résistance tout en réduisant les risques. L'objectif du PWHT est de renforcer les soudures tout en réduisant les risques de fissuration.

Cependant, lorsque ces traitements ne sont pas réalisés correctement, ils peuvent en réalité affaiblir la soudure. Cela se produit lorsque les gradients thermiques ne sont pas correctement contrôlés ; dans ce cas, la soudure est soumise à des températures plus élevées à certains endroits qu’à d’autres et est contrainte de se dilater et de se contracter à des vitesses différentes, ce qui réduit sa résistance à la fissuration par corrosion sous contrainte et à la fissuration induite par l’hydrogène.

Le traitement thermique post-soudage (PWHT) peut être nécessaire ou non, en fonction du type de tuyau, du matériau de soudure utilisé et d’autres facteurs. Les tuyaux en acier au carbone nécessitent généralement un traitement thermique post-soudage, tandis que des traitements thermiques de détente avant la mise en place des soudures peuvent s’avérer nécessaires afin de garantir une résistance suffisante aux contraintes environnementales.

3. Réduit le risque de fissuration

Le traitement thermique après soudage fait partie intégrante de la fabrication de l'acier. Ce processus contrôlé de chauffage et de refroidissement permet d'éliminer les contraintes résiduelles, d'adoucir la microstructure de l'assemblage soudé, d'éliminer l'hydrogène diffus, de réduire la sensibilité à la fissuration par corrosion sous contrainte, d'augmenter la résistance et la dureté, ainsi que d'améliorer la résistance mécanique. Lorsqu'il est mal réalisé ou carrément omis, les assemblages soudés deviennent sensibles à la fissuration transgranulaire, susceptible d'entraîner la défaillance catastrophique de structures telles que les récipients sous pression ou les principaux composants de canalisations.

Les techniques de soudage PWHT permettent également de réduire la fissuration à froid des composants tubulaires en augmentant la ductilité de l'assemblage soudé ; pour atteindre cet objectif, il convient d'utiliser des métaux d'apport présentant de faibles valeurs d'indice d'hydrogène diffusible (par exemple H4 ou H8).

Des études ont montré que le recours à un préchauffage permettait de réduire considérablement les contraintes résiduelles, diminuant ainsi le risque de fissuration par fatigue. Il convient toutefois de rappeler que le traitement thermique post-fabrication (PWHT) n'a un effet significatif que lorsque la pièce est soumise à des charges d'amplitude suffisante alternant dans le temps.

D'après ces recherches, l'importance du PWHT diminue à mesure que le diamètre des tuyaux augmente, pour une épaisseur de paroi donnée, ce qui suggère que les dérogations actuelles aux normes, qui limitent les cas dans lesquels le PWHT doit être effectué, devraient être révisées sans pour autant avoir d'incidence sur les calendriers standard de pose des canalisations dans les centrales électriques.

4. Réduit le risque de défauts

De nombreux réseaux de tuyauterie doivent fonctionner dans des environnements hostiles caractérisés par des températures et des pressions élevées, où les soudures peuvent subir une fatigue thermique ou une rupture sans traitement de post-soudage (PWHT). Lorsqu’elles sont soumises à un traitement PWHT, leur métal résiste toutefois mieux à ces contraintes, ce qui réduit le risque de défaillance tout en améliorant la sécurité et la fiabilité du système.

Bien que le traitement thermique post-moulage (PWHT) présente de nombreux avantages, il existe un risque qu’il soit utilisé de manière excessive ou incorrecte dans certains cas. Une application excessive peut réduire la résistance à la traction et au fluage, tout en diminuant la ténacité en entaille ; une application incorrecte peut même entraîner l’apparition de fissures et de fissures transgranulaires à la surface du béton.

Par conséquent, les différentes normes relatives aux canalisations et aux récipients sous pression prévoient souvent des exigences divergentes en matière de traitement thermique post-soudage (PWHT). Par exemple, les sections I et VIII de la norme ASME BP&V exemptent de cette exigence les assemblages soudés réalisés à partir de matériaux P-4 et P-5A d’une épaisseur inférieure à 5/8 de pouce ; tandis que d’autres normes, telles que l’ANSI B31.3, n’exigent un traitement thermique post-soudage que pour les assemblages soudés d’une épaisseur comprise entre 4 pouces et moins.

Ces différences pourraient s'expliquer par le fait que les codes ont été rédigés par différents organismes professionnels, qui se sont appuyés sur leur expérience et leurs pratiques en matière d'ingénierie. Cependant, il a été constaté que la soudabilité tend à augmenter à mesure que le diamètre des matériaux des tuyaux augmente ; ainsi, le traitement thermique post-soudage (PWHT) revêt moins d'importance pour les assemblages soudés à parois épaisses que pour ceux à parois minces.